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关于特大型空分设备配套阀门的研制

1 引言

冶金、化工及煤化工等行业的快速发展,在要求空分设备向更大型化方向发展的同时,也对配套设备的技术发展提出了新的要求。随着国内空分设备规模不断大型化,对配套的调节阀也不断提出新的技术要求:阀门口径从中小口径向大口径发展;同时,由于大型空分设备内压缩流程的发展,低温阀门及氧管道用阀门由低压向中高压发展,对密封性能的要求也在逐渐提高。目前,大型空分设备关键位置的阀门大都依赖进口,进口阀门价格偏高,是国产大型空分设备参与国际市场竞争的制约条件之一。可见,国内企业开发研制出适合空分设备新工艺流程的阀门已迫在眉睫。杭州杭氧工装泵阀有限公司(以下简称:杭氧工装)作为国内低温阀门的专业生产厂家,根据自身的生产设备制造能力和原有产品的基础,研制了大型空分设备的部分配套阀门,为大型空分设备配套阀门国产化打下了基础。

2 三偏心金属硬密封蝶阀

三偏心蝶阀是蝶阀史上一次较大的技术革新,以其独特的结构和优越的性能被广泛应用在石油化工等工艺设备中。目前,三偏心蝶阀在国内大型空分设备上的使用还是处于起步阶段,并且大都依赖进口。杭氧工装经过几年的努力,开发了三偏心硬密封蝶阀,其主要技术参数:口径DN100~DN600mm、压力PN6~PN63MPa、温度-196℃~200℃。

2.1 三偏心蝶阀的结构及原理

蝶阀的三偏心结构密封副形式为圆锥斜切锥面形。其蝶板为圆锥斜切而得,结构设计原理如图1所示。圆锥半锥角为β,3个偏心分别为:蝶板回心面偏心a、蝶板回转中心相对于流道中心的径向偏心e以及圆锥轴线相对于流道中心线的角度偏心γ。通常蝶阀为单偏心或双偏心结构,单偏心结构是设计时将对称轴中的阀门轴中心线偏离密封面中心线;双偏心结构是设计时将单偏心结构中的阀门轴中心线再偏离阀体中心线。三偏心是在双偏心的基础上增加了第三个偏心———斜锥。这一独特的偏心组合不仅利用了原有的凸轮效应,而且由于蝶板密封面转动时其运动轨迹的切线与阀座密封面形成一定的角度,使得蝶阀启闭时蝶板密封面相对阀座密封面渐出脱离和渐入压紧,从而完全消除了90°的密封效果;阀门的接触角大于锁定锥度范围,从几何形状上排除了卡死的可能性,从而确保阀门开关所需扭矩在阀门使用年限内不会产生很大的变化。

图1 三偏心蝶阀蝶板结构设计原理图

2.2 空分设备配套用三偏心硬密封蝶阀特点

通用的三偏心蝶阀已在国内大量生产,但三偏心蝶阀现有技术中,三偏心硬密封蝶阀所使用的密封圈大多采用多层软硬叠片结构形式,它存在以下缺点:①当阀门在打开状态时,介质对其密封面形成正面冲刷,金属片夹层中的软密封带受冲刷后,容易损坏并直接影响密封性能;②频繁启闭会导致软密封部分先损坏,密封失效,使用寿命不长;③超低温下软密封容易变形,夹层之间线胀系数不一,使密封容易失效。所以,多层软硬叠片式密封圈中的软夹层不能用于超低温(-196℃)和压力(压差)较高场合,不能适应频繁启闭的切换场合。

空分设备配套用三偏心蝶阀利用三偏心原理设计,采用金属硬密封结构,阀座采用堆焊司太莱合金,密封圈采用整体双相不锈钢材料。在结构上,阀杆与阀体之间还设置有导向衬套,阀杆的下部设置有无油润滑平面轴承,用来减少转动时的摩擦力。在阀杆底部还设有防吹出装置。

2.3 三偏心蝶阀在空分设备上的使用

2.3.1 分子筛纯化系统切换阀

国外公司设计制造的空分设备,其分子筛纯化系统切换阀采用的大都为三偏心硬密封蝶阀或是分子筛纯化系统专用三杆阀,两种类型的阀门都具有耐磨损、抗腐蚀、使用寿命长和密封效果好的优点,大大提高了分子筛纯化系统切换系统的使用寿命与可靠性。而在国产空分设备上,目前采用的切换阀是在1980年初引进林德技术的基础上设计的软密封蝶阀,已经有近30年的历史。这种软密封蝶阀优点为自密封性强、流向不限等,在一定程度上受到用户认可。但这种软密封蝶阀在性能上不仅使分子筛高温再生(290℃)受到限制,使分子筛的性能得不到最优化;而且需周期性更换密封圈,给现场维护增加一定的工作量,往往只能适应20000m3/h等级以下空分设备的配套需求。而三偏心硬密封蝶阀正好弥补了软密封蝶阀的不足,必将逐步应用在30000m3/h等级以上的大型空分设备分子筛纯化系统切换系统中。

2.3.2 膨胀机系统进出口阀

三偏心硬密封蝶阀的耐磨损、使用寿命长和密封效果好等优点使其广泛用于国外空分设备的膨胀机系统;而且,由于蝶阀的阻力系数小,通过的压降较小,可以降低系统的压力损失,这在一定程度上降低了空分设备的能耗指标。而在之前,国产空分设备在这些膨胀机系统进出口大都采用低温截止阀,低温截止阀的流通阻力远远大于蝶阀的流通阻力,使消耗在阀门上的压降增加。

2.3.3 低温流程泵系统进出口阀

与膨胀机系统相同,三偏心硬密封蝶阀用于低温流程泵系统,主要是因为其在深冷工况下具有密封性好、耐磨性好与流阻小的优点。尤其是泵的入口,较小的阻力可以更好地保证泵的吸入压头。

另外,由于三偏心硬密封蝶阀采用硬密封,还可以使用在空分设备的一些高压差部位。

目前,杭氧工装设计制造的三偏心硬密封蝶阀已逐步应用在上述场合,尤其在膨胀机系统的进出口位置,像成钢梅塞尔20000m3/h、盈德日照60000m3/h等空分设备,并得到了用户的认可。但也存在不尽人意之处,如在低温流程泵系统,由于介质温度为-196℃,受材料线胀系数影响,阀门出现密封不稳定的现象。另外,由于检测设备的局限性,密封圈的互换通用性受到一定的局限,这给批量生产带来一定影响。

3 高压氧用截止阀

化工型特大型空分设备,根据煤气化工艺的不同及气化用的燃料不同,产品氧气的压力有2种:一种为4.5~5.2MPa(中压氧),另一种为6.4~9.8MPa(高压氧)。压力等级的提高对配套阀门提出了更高的安全性要求。据欧洲工业气体协会(EIGA)的IGC Doc 13/02/E《氧气管道系统》标准,截止阀、旁通阀等均为“撞击场合”(使氧气流动方向突然改变或产生漩涡的位置,从而引起氧气中夹带颗粒及异物对管壁的撞击,这样的位置称为“撞击场合”)。“撞击场合”容易产生激发能源,引起燃烧与爆炸,是危险场合。为适应高压氧管道的配套要求,杭氧工装设计开发了特种合金制的高压氧用截止阀。

高压氧管道必须选用氧气专用阀门,其专用性及特点体现在:与氧气接触的阀体选用抗燃性能好、摩擦冲击不会产生火花的铜基合金或镍基合金,密封函选用难燃或阻燃材料;阀门内腔流道均需打磨光滑,杜绝有褶皱等;阀门需经严格去油脱脂并包装严密,防止被污染;对大口径氧气阀门,还需设置均压小旁通阀,保证开阀的安全性。

杭氧工装研制的高压氧用截止阀的主要技术参数:口径DN25~DN250mm,压力PN10MPa,温度-20℃~150℃。

高压氧用隔爆型截止阀是氧气管网上的关键设备,小口径阀一般用于放散,大口径阀一般为管道隔离,其安装位置如图2所示。

图2 高压氧用防爆型截止阀在氧气管网上安装位置示意图

用于气体放散的小口径截止阀,口径一般为DN25~DN40mm,压力为PN10MPa,其结构如图3所示。结构上采用隔爆型结构,在防爆墙外操作阀门,符合安全操作要求。其主体材料选用蒙乃尔铜镍合金及铜合金,符合EIGA的《氧气管道系统》标准要求以及《深度冷冻法生产氧气及相关气体安全技术规程》(GB16912—2008,2009年10月1日实施)。铜合金及铜镍合金不含碳元素,高温只熔化,不会燃烧,摩擦撞击不起火,属不扩散燃烧材料;事故不蔓延,安全。该材料在压力≤21MPa条件下,流速在压力降允许范围下无限制,也称为在该压力下的免流速材料。

用于隔离的大口径截止阀,口径一般在DN150~DN250mm,压力为PN10MPa,其结构如图4所示。

图3 用于气体放散的小口径截止阀结构示意图

图4 用于隔离的大口径截止阀结构示意图

主阀上设置均压小旁通阀,主阀阀瓣采用内旁通结构,开阀时要求先缓慢开启小旁通阀均压,出口下侧缓慢升压,当阀瓣上下两侧压差≤0.3MPa时,再开启主阀,避免流速过快、温升过高,形成绝热压缩,引发燃爆事故。主阀阀内件采用蒙乃尔铜镍合金及铜合金材料,阀座为内嵌蒙乃尔阀座,旁通阀、旁通法兰及旁通管线均采用蒙乃尔铜镍合金及铜合金材料,保证在高压氧介质条件下工作的安全性。主阀及旁通阀均采用隔爆型结构。阀门配套的法兰面垫片采用缠绕式垫片,或采用退火软化铜垫片、镍合金垫片。

4 高压氧用特种安全阀

为确保设备的安全运行,在管道上设有安全阀,作为超压保护装置。当设备压力升高超过允许值时,阀门自动开启,继而全量排放,以防止设备受压继续升高;当压力降低到规定值时,及时关闭阀门,从而保护设备的安全运行。特种安全阀是高压氧管道的安全保护装置,其性能好坏直接影响到设备的安全和可靠性。为了确保对设备的有效保护,安全阀应按最不利的情况考虑,分析可能发生的一切紧急情况,保证能排放掉系统中可能产生的最大过剩的介质。杭氧工装开发的高压氧用特种安全阀主要技术参数:口径DN40~DN100mm,压力PN10MPa,温度-20℃~150℃,开启压力4~10MPa,密封压力3.6~9MPa,排放压力4.4~11MPa,全开高度1/4喉径。

尽管安全阀阀体及出口管通常处于或接近大气压,但是这些部位在排放时会受到冲击。过流部分及阀入口的尺寸决定阀门入口的气体流速。因而安全阀起跳时的过流部分经受高流速的冲击。阀体和过流部分应被看作是冲击场合,因此常用免除材料。与高压氧用截止阀相似,与氧气接触的阀体等零件材料选用蒙乃尔铜镍合金或铜合金,确保其安全性。结构上采用全启式弹簧直接载荷式结构。

在保证安全阀开启可靠的同时,必须保证其有较好的密封性。如果说最初的密封性是由机械加工工艺来保证,那么以后的密封性就还要取决于安全阀的关闭特性以及材料抵抗高速介质侵蚀的能力。要强调的是由于安全阀是弹簧直接载荷式的,阀座与阀瓣同为蒙乃尔铜镍合金时,注意选用材料牌号时要保证有一定的硬度差,以保证安全阀的密封性。另外,由于蒙乃尔材料硬度不到HRC30,密封面加工研磨时也要注意。

5 结束语

上述内容仅介绍了大型空分设备配套阀门中的几种类型,随着空分技术的不断发展,还将有其他规格的阀门需求和一些自动控制等方面更高的要求,这需要在阀门成套过程中不断进行摸索,以适应空分技术的不断发展。在调节阀质量和水平的最终体现是能否满足成套空分设备工艺流程的需要,能否使成套空分设备稳定、可靠地长周期运行。成功开发研制大型空分设备配套阀门,是空分设备稳定运行的有力保证。